CN109162727A - 用于盾构始发的洞门封堵注浆装置及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及地铁隧道工程的盾构开挖技术领域，公开了一种用于盾构始发的洞门封堵注浆装置及施工方法，所述洞门封堵注浆装置包括入口钢筒、洞门密封装置和膜袋注浆装置；入口钢筒固定于内衬墙上，洞门密封装置一端周向固定于入口钢筒的外侧边缘，另一端向入口钢筒的内侧延伸并适于环绕盾构机的外壁一圈；膜袋注浆装置设于入口钢筒与洞门密封装置之间，并环绕入口钢筒内壁一圈；通过注浆使膜袋注浆装置膨胀挤压洞门密封装置，使洞门密封装置紧密贴合于盾构机的外壁。本发明所述施工方法包括步骤：安装入口钢筒和洞门密封装置、制作膜袋注浆装置、预装膜袋注浆装置、膜袋注浆止水、迅速固化浆液。本发明具有封堵效果好、密封稳定性高等优点。

Description

用于盾构始发的洞门封堵注浆装置及施工方法

技术领域

本发明涉及地铁隧道工程的盾构开挖技术领域，具体地涉及一种用于盾构始发的洞门封堵注浆装置及施工方法。

背景技术

盾构始发涉及盾构机刀盘的进洞，是盾构法施工中比较容易发生事故的施工工序，国内外盾构工程实践中常有大事故发生在此工序。归纳发现，盾构始发事故发生的原因包括端头土体加固设计不合理、洞门结构和围护结构存在缺陷、洞门防水措施不合理、始发托架和反力架存在设计和施工双方面的问题等。但是，盾构始发施工过程中所发生的事故大多数是由洞口土体不稳和渗漏所致，亦即洞门密封安装环节出现问题，这类风险事故呈现特征是：围护结构开始局部拆除时加固土体稳定性和渗透性都满足要求，但是随着围护结构拆除过程的进行及对土体的震动等影响，开始有水和砂从洞口加固段土体中渗漏出来，若此时不及时采取止水措施或处理措施不当，将会产生大量的水土流失，引起地表沉陷，进一步的造成盾构始发(或到达)的失败。具体来说，盾构始发事故将会造成附近区域地表沉陷、重要管线的破裂、建筑物倾斜、失稳，以及大量水土涌入盾构始发或到达区域导致始发失败等严重后果，造成周边环境的破坏，给企业和社会带来不可估量的经济损失。因此，做好盾构始发工作中的端头加固和洞门密封安装工序，尤其是洞门密封安装环节对确保始发时施工安全，确保地层稳定，为防止盾构机进洞时端头地层发生坍塌或涌漏水等意外情况的发生发挥着重要作用，是盾构始发施工过程中的重中之重。

目前，在盾构始发掘进时，采用的常规洞门安装施工封堵效果良好，能很好地防止土体孔隙水和回填注浆浆液沿着盾构机外壳向洞口方向流出，并达到技术标准，保证后续工程的顺利进行。然而，当穿越地质为软弱土层、“上软下硬”，且富含地下水等复杂条件时，常规洞门密封时常发生失效，出现洞门漏水漏砂或塌陷现象，严重影响施工进程。

发明内容

本发明的目的在于克服密封装置失效、洞门易出现漏水漏砂的缺点，提供一种能适用于复杂富水地层的盾构始发洞门封堵注浆装置及施工方法，能提供及时、高效、封隔效果好的洞门封堵技术，以增加洞门密封过程的稳定性并加固密封强度，防止地下水喷涌。

为了实现上述目的，本发明一方面提供一种用于盾构始发的洞门封堵注浆装置，包括入口钢筒、洞门密封装置和膜袋注浆装置；所述入口钢筒固定于内衬墙上；所述洞门密封装置一端周向固定于所述入口钢筒的外侧边缘，另一端向所述入口钢筒的内侧延伸并适于环绕盾构机的外壁一圈；所述膜袋注浆装置设于所述入口钢筒与所述洞门密封装置之间，并环绕所述入口钢筒内壁一圈；通过注浆使所述膜袋注浆装置膨胀挤压所述洞门密封装置，使洞门密封装置紧密贴合于盾构机的外壁。

优选地，所述膜袋注浆装置包括透浆管和膜袋，所述膜袋套设并束缚在所述透浆管外壁；所述透浆管的管壁上设有若干透浆孔。

优选地，所述膜袋外表面缠绕有保鲜膜。

优选地，所述膜袋注浆装置通过注浆管连接洞外的注浆机。

优选地，所述洞门密封装置包含帘布橡胶板、圆环板及翻板；所述圆环板底端的轴销孔与所述翻板顶端的轴销栓铰接。

优选地，所述帘布橡胶板端头设有凸起，所述凸起的突出方向与盾构推进方向相同。

优选地，所述翻板朝向所述帘布橡胶板的一侧中间部位焊接有椭圆钢环。

优选地，所述入口钢筒包括连为一体的筒体和端环板，其中所述端环板位于洞口处；所述洞门密封装置一端围绕所述端环板固定。

优选地，所述膜袋注浆装置通过扎丝固定在预埋钢筋上。

优选地，所述预埋钢筋中第一预埋钢筋焊接在所述入口钢筒的端环板上；所述入口钢筒的筒体上设有一组沿所述筒体环向分布的圆孔，将第二预埋钢筋的一端沿所述筒体环向方向插入所述圆孔中，且与所述内衬墙内主体钢筋焊接定位，另一端外露于所述筒体内壁并折弯，用于所述扎丝绑定固定所述膜袋注浆装置；第三预埋钢筋为至少一组焊接在所述筒体上的钢筋。

本发明第二方面提供一种用于盾构始发的洞门封堵注浆施工方法，包括以下步骤：

S1.安装入口钢筒和洞门密封装置：安装并固定入口钢筒和预埋钢筋，利用螺栓将洞门密封装置无缝隙紧固于端环板外侧一周；

S2.制作膜袋注浆装置：将膜袋套设并束缚在透浆管上，形成膜袋注浆装置；

S3.预装膜袋注浆装置：将膜袋注浆装置设置在入口钢筒与洞门密封装置之间，并通过注浆管与注浆机连接；

S4.膜袋注浆止水：盾构始发刀盘进入洞门后，从注浆管向透浆管内注入浆液，利用膜袋膨胀挤压洞门密封装置，使洞门密封装置紧密贴合于盾构机的外壁；

S5.迅速固化浆液：通过注浆管向膜袋注浆装置中注入固化剂，使膜袋中的浆液迅速固化，洞门封堵完成，盾构机继续推进。

通过上述技术方案，当入口钢筒和洞门密封装置安装完成后，预置膜袋注浆装置，盾构机沿盾构推进方向掘进，带铰接的扇形翻板被盾构机带动沿掘进方向转动内翻，并支撑密封帘布橡胶板，在盾构机管片外壁与围岩结构之间形成封闭的注浆区域。同步注浆系统向注浆区域加注浆液的同时，通过注浆管对放置在入口钢筒内壁与洞门密封装置之间的膜袋注浆装置进行注浆，浆液不断膨胀膜袋挤压帘布橡胶板，使其与盾构机管片外壁空隙接触密实，直至膜袋填充完全并达到注浆强度标准，然后盾构机继续推进。

本发明利用洞门封堵注浆装置提高帘布橡胶板与盾构机之间的密封效果，膜袋注浆后均匀膨胀，能够及时封堵并贴合帘布橡胶板形成类似“汽车轮胎”式的复合注浆封堵结构，从而地下水难以突破帘布橡胶板涌出洞门，有效的提高了施工质量，保障端头洞门满足长期强度要求，适用于复杂富水地层的盾构施工。

附图说明

图1为本发明盾构始发前洞门封堵注浆装置示意图；

图2为本发明盾构始发后洞门封堵注浆装置示意图；

图3为图1的A处放大视图；

图4为图2的B处放大视图；

图5为本发明的入口钢筒结构图；

图6为本发明的帘布橡胶板结构图；

图7为本发明的螺栓结构图；

图8为本发明的翻板结构图。

图9为本发明的技术方案施工方法图；

附图标记说明

1 入口钢筒 2 帘布橡胶板

3 圆环板 4 螺栓

5 翻板 6 透浆管

7 膜袋 8 连接件

9 注浆管 10 第一预埋钢筋

11 第二预埋钢筋 12 第三预埋钢筋

13 注浆区域 14 盾构机

15 内衬墙 16 围岩结构

1001 筒体 1002 端环板

2001 等距孔 2002 环向棉纱绳

2003 径向尼龙线 2004 凸起

4001 螺帽装置 4002 垫板

4003 螺母 5001 轴销栓

5002 椭圆钢环 D1 盾构推进方向

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”通常是指图示所示的方位关系，“内、外”是指图示所示位置关系。

如图1至图4所示，一种用于盾构始发的洞门封堵注浆装置，包括入口钢筒1、洞门密封装置、膜袋注浆装置。如图5所示，入口钢筒1包括连为一体的筒体1001和端环板1002。筒体1001上设有一组沿筒体1001环向分布的圆孔，用于预埋钢筋插入，安装时筒体1001用螺栓拼接成整环后，再用龙门架吊下井就位，端环板2位于洞口处，且绕洞口一周设有与螺栓4匹配的多个等距圆孔。预埋钢筋取用统一规格标准，其中第一预埋钢筋10焊接在端环板1002上；第二预埋钢筋11的一端沿筒体1001环向方向插入筒体1001上的圆孔中，且与内衬墙15内主体钢筋焊接定位，另一端外露于筒体1001内壁并折弯，用于扎丝绑定固定膜袋注浆装置；第三预埋钢筋12为至少一组焊接在筒体1001上的钢筋。

洞门密封装置包括帘布橡胶板2、圆环板3及翻板5，帘布橡胶板2、圆环板3利用螺栓4贯通无缝隙紧固于端环板1002外侧一周，圆环板3底端设有轴销孔与翻板5的轴销栓铰接。膜袋注浆装置包括透浆管6和膜袋7，膜袋7套设在透浆管6的外壁，且膜袋7外绕有细麻绳，将膜袋注浆装置设置在入口钢筒1与洞门密封装置之间，并环绕筒体1001内壁一圈，通过扎丝将其固定在第二预埋钢筋11上。注浆管9预埋在内衬墙15中，一端通过连接件8与膜袋注浆装置连接，另一端穿过端环板1002延伸至洞门密封装置外侧与注浆机连接。

膜袋注浆装置中透浆管6的管壁上钻削有多组圆形透浆孔，每组圆孔间距为定值，使浆液在膜袋7中扩散均匀，膜袋7采用高聚物折叠注浆膜袋。

如图6所示，帘布橡胶板2为径向尼龙线2003和环向棉纱绳2002制成的环状整框板，中上部位设有供螺栓4通过的多个等距孔2001，帘布橡胶板2端头设有凸起2004且凸起2004的突出方向与盾构推进方向D1相同。在盾构掘进的过程中，帘布橡胶板2与盾体会产生摩擦，凸起2004使二者贴合得更加紧密，在进行注浆封堵洞门时，有凸起结构的帘布橡胶板2和管片能挤压更加密实，起到防水效果。

如图7所示，螺栓4由双头螺柱、螺帽装置4001、垫板4002和螺母4003组成，双头螺柱两端刻有旋转方向相反的螺纹，一端位于端环板1002内侧并通过内衬墙15中的螺帽装置4001拧紧固定，另一端位于圆环板3外侧通过螺母4003固定，将帘布橡胶板2和圆环板3贯通并固定在端环板1002上。

如图8所示，翻板5外观类似扇形，顶端设有轴销栓5001与圆环板3中的轴销孔配合形成铰接结构，翻板5朝向帘布橡胶板2的一侧中间部位焊接有椭圆钢环5002，用钢丝绳穿过椭圆钢环5002，将所有翻板5串接形成整体，以此固定翻板5的翻转位置，在盾构刀盘进入洞门时，所有翻板5沿盾构推进方向D1转动，为帘布橡胶板2提供刚性支撑，使帘布橡胶板2压紧在盾体上，起到外层密封作用，保护内部膜袋7止水密封。

如图9所示，一种用于盾构始发的洞门封堵注浆施工方法，包括以下步骤：

S1.安装入口钢筒和洞门密封装置：安装并固定入口钢筒1和预埋钢筋，利用螺栓4将洞门密封装置的帘布橡胶板2、圆环板3无缝隙紧固于端环板1002外侧一周，将翻板5铰接在圆环板3底端；

S2.制作膜袋注浆装置：在透浆管6外壁套设一层膜袋7，利用细麻绳将膜袋7固定在透浆管6上，形成膜袋注浆装置；

S3.预装膜袋注浆装置：将膜袋注浆装置设置在入口钢筒1与洞门密封装置之间，并环绕入口钢筒1内壁一圈，通过连接件8将膜袋注浆装置与注浆管9连接；

S4.膜袋注浆止水：盾构始发刀盘进入洞门后，从注浆管9向透浆管6内注入浆液，利用膜袋7膨胀挤压帘布橡胶板2，使其与盾构机14紧密接触；

S5.迅速固化浆液：通过注浆管9向膜袋注浆装置中注入固化剂，使膜袋7中的浆液迅速固化，洞门封堵完成，盾构机14继续推进。

当洞门密封装置和膜袋注浆装置安装完成后，盾构机14沿盾构推进方向D1掘进，铰接的翻板5被盾构机14带动沿掘进方向转动，并支撑密封帘布橡胶板2，此时在盾构机14的管片外壁与围岩结构16之间形成环形的壁后空腔，即注浆区域13。接着开启盾构机14的同步注浆系统向注浆区域13加注浆液，同时通过注浆管9向透浆管6中先后注入浆液和固化剂，迫使膜袋7膨胀并迅速固化挤压帘布橡胶板2，直至其与注浆区域13填充密实，膜袋7填充完全并达到注浆强度标准，然后盾构机14继续推进。洞门封堵注浆过程与同步注浆系统对注浆区域13的填充过程共同形成密实坚固的封闭结构，使地下水难以突破帘布橡胶板2涌出洞门，增强始发洞门封堵的效果。

以下通过实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不仅限于此。

实施例：

青岛市地铁在建1号线为南北走向线路，线路南起峨眉山路站，北至东郭庄站，线路全长约60km，共设车站40座，均为地下站，控制中心位于黄岛。拟建安子站～安子东站区间，起点:黄岛开发区长江东路，终点：海尔山海湾北门西侧，区间设计里程K18+004.750～K18+926.450，全长940.540m(长链18.84m)，区间采用盾构法施工，两侧车站兼做盾构始发(接收)井。根据安子站～安子东站区间详勘报告可知，该区间隧道设计洞径6.2m，洞顶平均埋深为9.8m，区间隧道围岩主要为人工填土、软土、风化岩及构造岩，围岩体节理裂隙发育、破碎，且富含地下海水，埋深1.2～8.5m，导致隧道围岩透水性大，整体稳定性差，属于复杂富水地层环境。

现场盾构始发施工工艺包括如下步骤：

①、盾构始发准备

涉及端头加固、盾构机始发托架安装、盾构机组装、调试等工作，继而拼装F6环管片、盾构机整机试运转良好就绪，其中，盾构始发中的端头加固是盾构始发的重点，要保证土体具有较强的自稳性，且不发生渗流，设计要求无侧限抗压强度大于0.8MPa，渗透系数≤1×10^-7cm/s。

②、洞门封堵注浆施工

S1、安装入口钢筒和常规洞门密封装置：

筒体1001上设有一组孔径为18mm的圆孔，且沿筒体环向每6°分布一个，在现场安装时，筒体1001先用M20螺栓拼接成整环，再用龙门吊下井就位。第一预埋钢筋10、第二预埋钢筋11、第三预埋钢筋12规格均为HRB400φ16，对应的长、短钢筋为长度分别为1m、0.5m，第三预埋钢筋12设为两组，在入口钢筒1安装前埋设在内衬墙15内；待入口钢筒1安装固定后，将长度为1m的第二预埋钢筋11沿环向方向插进筒体1001上的圆孔0.5m(即1/2长度)，外露一端向盾构推进方向D1折弯用于扎丝固定膜袋注浆装置，第二预埋钢筋11与入口钢筒1焊接固定，同时与内衬墙15的主体钢筋焊接定位；第二预埋钢筋11和第三预埋钢筋12沿筒体1001纵向方向等距设置在内衬墙15中，增强墙体的整体强度和稳定性。沿筒体1001环向按每6°焊接一根第一预埋钢筋10到端环板1002上，双面焊接长度不小于50mm，焊接高度为8mm。

帘布橡胶板2为环形整框板，沿圆环径向宽度58cm，厚度2cm，采用径向尼龙线2003和环向棉纱绳2002制成，中上部位设有供M20螺栓4通过的多个等距孔2001；圆环板3中间设有供螺栓4通过的一系列等距孔，拼接安装在帘布橡胶板2外侧，底端设有轴销孔与扇形翻板5顶端的轴销栓铰接；帘布橡胶板2、圆环板3利用螺栓4贯通并无缝隙紧固于端环板1002外侧一周；入口钢筒1上焊接有DN25注浆管9，焊接高度为8mm，注浆管9一端穿过端环板1002延伸至洞门密封装置外侧与注浆机连接，另一端通向筒体1001内壁用于向膜袋注浆装置中注浆。

S2、制作膜袋注浆装置：首先，在直径为20mm的透浆管6上钻设孔径为5mm的透浆孔，圆孔呈梅花形布置，梅花形布置的每组圆孔间距为200mm。然后，将透浆管6穿入由土工布制成的折叠式膜袋7中，膜袋7平整地包裹在透浆管6上，用细麻绳外绕紧固，保证膜袋不会脱落即可。接着，在包裹好的膜袋外表面缠绕一层保鲜膜，起到保护膜袋、隔绝外界的作用，透浆管6上设有供注浆管9接入的注浆入口。

S3、预装膜袋注浆装置：将膜袋注浆装置设置在入口钢筒1与洞门密封装置之间，并环绕筒体1001内壁一圈，然后选取合适的位置，用单根20#扎丝将膜袋注浆装置固定在第二预埋钢筋11上，保证环形注浆膜袋不从预装位置脱落即可，透浆管6通过连接件8与注浆管9接通。

S4、洞门膜袋注浆止水：进行负环拼装，盾构机14刀盘进入洞门开始掘进作业，当盾构机14全部进入帘布橡胶板2后，及时跟上同步注浆，此时由于隧道洞门暂未进行封堵，故需要根据帘布橡胶板2处的漏浆情况，及时调整同步注浆压力及注浆量。当盾构机14盾体整体进入隧道内，且盾尾距离洞门约5环管片的位置时开始进行洞门封堵，其中，管片规格为：环宽1.5m，外径6m，内径5.4m，厚度0.3m。

利用盾构机14上的同步注浆系统向盾尾至洞门的管片壁后空腔注浆区域13加注浆液。与此同时，向注浆管9内注入水泥浆，水泥浆由透浆管6上的透浆孔进入膜袋7，膜袋7膨胀挤压帘布橡胶板2，使其与盾构机14外围紧密贴合，从而地下水难以突破帘布橡胶板2涌出洞门，直至膜袋7填充完全并达到注浆强度标准。

S5、迅速固化浆液：通过注浆管9向透浆管6中注入固化剂，在固化剂的作用下膜袋7中的浆液迅速固化，从而提高洞门密封的稳定性和加固强度。

③、盾构机继续推进

洞门封堵完成后，达到止水效果，开始恢复掘进，速度、推力不宜过大，推力掘进速度控制在10mm/min以内，推力＜1000T，盾尾通过始发洞口，管片背后回填注浆。至此，盾构洞门密封施工完毕，进入正常的盾构推进工作。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，和各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明，但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种用于盾构始发的洞门封堵注浆装置，其特征在于，包括入口钢筒(1)、洞门密封装置和膜袋注浆装置；

所述入口钢筒(1)固定于内衬墙(15)上；

所述洞门密封装置一端周向固定于所述入口钢筒(1)的外侧边缘，另一端向所述入口钢筒(1)的内侧延伸并适于环绕盾构机的外壁一圈；

所述膜袋注浆装置设于所述入口钢筒(1)与所述洞门密封装置之间，并环绕所述入口钢筒(1)内壁一圈；

通过注浆使所述膜袋注浆装置膨胀挤压所述洞门密封装置，使洞门密封装置紧密贴合于盾构机的外壁。

2.根据权利要求1所述的用于盾构始发的洞门封堵注浆装置，其特征在于，所述膜袋注浆装置包括透浆管(6)和膜袋(7)，所述膜袋(7)套设并束缚在所述透浆管(6)外壁；

所述透浆管(6)的管壁上设有若干透浆孔。

3.根据权利要求2所述的用于盾构始发的洞门封堵注浆装置，其特征在于，所述膜袋(7)外表面缠绕有保鲜膜。

4.根据权利要求1所述的用于盾构始发的洞门封堵注浆装置，其特征在于，所述膜袋注浆装置通过注浆管(9)连接洞外的注浆机。

5.根据权利要求1所述的用于盾构始发的洞门封堵注浆装置，其特征在于，所述洞门密封装置包含帘布橡胶板(2)、圆环板(3)及翻板(5)；

所述圆环板(3)底端的轴销孔与所述翻板(5)顶端的轴销栓(5001)铰接。

6.根据权利要求5所述的用于盾构始发的洞门封堵注浆装置，其特征在于，所述帘布橡胶板(2)端头设有凸起(2004)，所述凸起(2004)的突出方向与盾构推进方向(D1)相同。

7.根据权利要求5所述的用于盾构始发的洞门封堵注浆装置，其特征在于，所述翻板(5)朝向所述帘布橡胶板(2)的一侧中间部位焊接有椭圆钢环(5002)。

8.根据权利要求1所述的用于盾构始发的洞门封堵注浆装置，其特征在于，所述入口钢筒(1)包括连为一体的筒体(1001)和端环板(1002)，其中所述端环板(1002)位于洞口处；

所述洞门密封装置一端围绕所述端环板(1002)固定。

9.根据权利要求1所述的用于盾构始发的洞门封堵注浆装置，其特征在于，所述膜袋注浆装置通过扎丝固定在预埋钢筋上。

10.根据权利要求9所述的用于盾构始发的洞门封堵注浆装置，其特征在于，所述预埋钢筋中第一预埋钢筋(10)焊接在所述入口钢筒(1)的端环板(1002)上；

所述入口钢筒(1)的筒体(1001)上设有一组沿所述筒体(1001)环向分布的圆孔，将第二预埋钢筋(11)的一端沿所述筒体(1001)环向方向插入所述圆孔中，且与所述内衬墙(15)内主体钢筋焊接定位，另一端外露于所述筒体(1001)内壁并折弯，用于所述扎丝绑定固定所述膜袋注浆装置；

第三预埋钢筋(12)为至少一组焊接在所述筒体(1001)上的钢筋。

11.一种用于盾构始发的洞门封堵注浆施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.安装入口钢筒和洞门密封装置：安装并固定入口钢筒(1)和预埋钢筋，利用螺栓(4)将洞门密封装置无缝隙紧固于端环板(1002)外侧一周；

S2.制作膜袋注浆装置：将膜袋(7)套设并束缚在透浆管(6)上，形成膜袋注浆装置；

S3.预装膜袋注浆装置：将膜袋注浆装置设置在入口钢筒(1)与洞门密封装置之间，并通过注浆管(9)与注浆机连接；

S4.膜袋注浆止水：盾构始发刀盘进入洞门后，从注浆管(9)向透浆管(6)内注入浆液，利用膜袋(7)膨胀挤压洞门密封装置，使洞门密封装置紧密贴合于盾构机的外壁；

S5.迅速固化浆液：通过注浆管(9)向膜袋注浆装置中注入固化剂，使膜袋(7)中的浆液迅速固化，洞门封堵完成，盾构机继续推进。